基于时间反转的穿墙雷达成像技术研究

摘要

时间反转是通过在时域将回波信号进行逆序操作（频域上相当于共轭操作），而后再次辐射到探测区域从而实现选择性聚焦的一种技术，由于其良好的自适应空时聚焦能力而被引入到电磁探测领域并应用于雷达目标成像，相比于传统的雷达成像方法，能够实现目标的精确定位并具有较高的成像分辨率，因此有着极大的研究价值。本文基于时间反转技术，主要研究了该技术在穿墙雷达成像的中的应用。 (1)基于时间反转技术的基本理论，通过对波动方程、Born散射及时间反转镜等原理的分析，论证了时间反转技术的抗多径和空时聚焦特性。此外，推导并仿真了时间反转镜成像法及基于子空间技术的时间反转成像算法，并重点分析了不同算法在成像分辨率上的性能。 (2)研究了ESPRIT算法在时间反转雷达成像中的应用。针对现有的基于信号子空间的时间反转方法成像分辨率不高，且TR-ESPRIT算法回波获取复杂等问题，考虑到基于频率采样的时间反转方法在回波采集与处理上的优势，本文提出了该方法与ESPRIT技术相结合的时间反转FF-ESPRIT算法，解决了上述方法的缺陷。并通过实验验证了所提算法在一定噪声条件下仍具有优良成像分辨率的特性。 (3)研究了时间反转技术在墙雷达成像中的应用。首先给出了分层介质格林函数的推导与验证，这对于时间反转技术实现穿墙雷达目标精确定位具有重要的意义；其次通过使用时间窗和空间窗解决了时间反转穿墙雷达杂波抑制问题；最后将基于频率采样的时间反转FF-MUSIC算法引入到穿墙雷达成像中，通过与传统的后向投影算法以及基于同步的时间反转算法进行仿真对比，表明此算法对穿墙雷达成像具有更高的分辨率。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 时间反转技术的来源及应用

1.2.2 时间反转成像的研究与发展

1.2.3 穿墙雷达探测成像技术

1.3 论文的主要研究内容

2 时间反转基本理论和成像技术研究

2.1 时间反转技术基本理论

2.1.1 波动方程的时间反转不变性

2.1.2 背景格林函数

2.1.3 时间反转镜

2.2 时间反转成像技术的研究

2.2.1 Born散射

2.2.2 传输矩阵

2.2.3 矩阵的奇异值分解和子空间技术

2.3 时间反转镜成像法

2.4 本章小结

3 基于子空间技术的时间反转成像方法研究

3.1 基于信号子空间的时间反转成像法

3.1.1 时间反转算子分解法（DORT）

3.1.2 空频时间反转算子分解法（SF-DORT）

3.2 基于噪声子空间的时间反转多信号分类法（TR-MUSIC）

3.3 成像分辨率分析

3.4 本章小结

4 基于ESPRIT算法的时间反转雷达成像方法研究

4.1 ESPRIT算法原理

4.1.1 信号模型

4.1.2 算法原理

4.2 基于ESPRIT的时间反转成像法（TR-ESPRIT）

4.3 基于频率采样的时间反转算子分解法（FF-DORT）

4.4 基于频率采样的ESPRIT时间反转成像（FF-ESPRIT）

4.4.1 基于频率采样的ESPRIT时间反转理论推导

4.4.2 FF-ESPRIT二维成像

4.4.3 仿真成像分析

4.5 本章小结

5 时间反转技术在穿墙雷达成像中的研究与应用

5.1 穿墙雷达时间反转成像原理

5.1.1 穿墙雷达探测模型

5.1.2 穿墙雷达分层介质格林函数计算

5.2 基于时空窗的穿墙杂波抑制方法

5.3 穿墙雷达时间反转多信号分类法

5.4 多目标成像与目标位置误差分析

5.4.1 不同格林函数的成像位置误差

5.4.2 仿真成像与分析

5.5 基于频率采样的穿墙雷达时间反转多信号分类法

5.5.1 成像模型与算法原理

5.5.2 仿真成像与分析

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间主要研究成果